Bài 5: XÁC ĐỊNH DÒNG ĐIỆN NGƯỠNG CỦA LASER BÁN DẪN LOẠI
PHUN DÒNG TẢI ĐIỆN QUA LỚP TIẾP XÚC P – N 5.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
5.1.1 Dòng điện ngưỡng của laser bán dẫn loại phun
Laser bán dẫn loại phun là loại laser duy nhất có công suất phát xạ thay đổi từ nhỏ nhất
đến lớn nhất mà nó có thể đạt được, bằng cách tăng dòng điện kích thích.
Chính vì vậy, dòng điện ngưỡng- tại giá trị ấy của dòng kích xuất hiện hiệu ứng laser,
đóng vai trò quan trọng trong chế độ làm việc của laser bán dẫn loại phun.Vì các lí do sau đây:
+ Khi dòng điện kích nhỏ hơn dòng điện công suất phát xạ của laser nhỏ, ophổ phát xạ
rất rộng, tương ứng với miền phát xạ tự phát.
+ Khi dòng điện kích bằng dòng điện ngưỡng thì xuất hiện hiệu ứng laser và tại giá trị
dòng kích đó trên nền phổ phát xạ tự phát xuất hiện pik có độ rộng phổ hẹp, và công
suất phát xạ bắt đầu tăng.
+ Khi dòng điện kích lớn hơn dòng điện ngưỡng, công suất phát xạ của laser lớn, ở
phổ phát xạ xuất hiện các mode dọc, tương ứng với miền phát xạ cưỡng bức.
+ Khi dòng điện kích quá lớn, công suất phát xạ của laser sẽ bị bão và sau này công
suất phát xạ sẽ giảm khi tăng dòng kích. Đây là miền phẩm chất của laser bị suy giảm.
Chính vì vậy việc chọn dải sóng kích thích lớn hơn dòng điện ngưỡng bao nhiêu để
bán dẫn laser loại phun làm việc là điều hết sức quan trọng.
Giữa mật độ dòng điện ngưỡng Jng = và số khuếch đại ngưỡng như sau Gng = Jng (1) Trong biểu thức (1): G -
ng hệ số khuếch đại ngưỡng
- hằng số cho mỗi loại laser bán dẫn Gng =+ln (2) Trong biểu thức (2)
- hệ số mất mát trên 1 đơn vị độ dài của hộp cộng hưởng.
ln - hệ số mất mát ở 2 gương của hộp cộng hưởng.
Đối với laser bán dẫn loại, 2 gương phản xạ của hộp cộng hưởng là 2 mặt tinh thể và
có độ lớn phản xạ bằng nhau R1= R2 .
Từ (1) và (2) ta thu được: J =+ ng
Phương pháp xác định dòng điện ngưỡng của laser bán dẫn loại phun
Hiện nay có 2 phương pháp xác định dòng điện ngưỡng cho laser bán dẫn loại phun
a. Phương pháp xác định dòng điện ngưỡng dựa trên phổ pháp xạ của laser
Khi dòng kích nhỏ hơn dòng điện ngưỡng thì phổ phát xạ của laser rộng, tương ứng
với phổ phát xạ tự phát. Khi tăng dòng kích, phổ phát xạ này sẽ hẹp dần. Khi dòng
kích bằng dòng điện ngưỡng trên nền phổ phát xạ tự phát xuất hiện moat pik hẹp. Khi
dòng kích lớn hơn dòng điện ngưỡng sẽ xuất hiện các mode dọc.
Để thực hiện phương pháp xác định trên nay, phải có máy quang phổ phát xạ để ghi
phổ phát xạ của laser. Mặt khác đòi hỏi người ghi phổ phải am hiểu về phổ phát xạ của laser.
b. Phương pháp xác định dòng điện ngưỡng dựa vào đặc tuyến W-A
Đặc tuyến W-A của laser bán dẫn loại phun được trình bày ở hình.
Dòng điện ngưỡng được xác định bằng cách kẻ đường tiếp tuyến của đặc tuyến W-A,
đường tiếp tuyến này sẽ cắt trục tung tại một điểm - điểm này chính là dòng điện
ngưỡng của laser. Phương pháp này đơn giản và Phương pháp xác định dòng điện
ngưỡng của laser bán dẫn loại phun
Hiện nay có 2 phương pháp xác định dòng điện ngưỡng cho laser bán dẫn loại phun
c. Phương pháp xác định dòng điện ngưỡng dựa trên phổ pháp xạ của laser
Khi dòng kích nhỏ hơn dòng điện ngưỡng thì phổ phát xạ của laser rộng, tương ứng
với phổ phát xạ tự phát. Khi tăng dòng kích, phổ phát xạ này sẽ hẹp dần. Khi dòng
kích bằng dòng điện ngưỡng trên nền phổ phát xạ tự phát xuất hiện moat pik hẹp. Khi
dòng kích lớn hơn dòng điện ngưỡng sẽ xuất hiện các mode dọc.
Để thực hiện phương pháp xác định trên nay, phải có máy quang phổ phát xạ để ghi
phổ phát xạ của laser. Mặt khác đòi hỏi người ghi phổ phải am hiểu về phổ phát xạ của laser.
d. Phương pháp xác định dòng điện ngưỡng dựa vào đặc tuyến W-A
Đặc tuyến W-A của laser bán dẫn loại phun được trình bày ở hình
Dòng điện ngưỡng được xác định bằng cách kẻ đường tiếp tuyến của đặc tuyến W-A,
đường tiếp tuyến này sẽ cắt trục tung tại một điểm-điểm này chính là dòng điện
ngưỡng của laser. Phương pháp này đơn giản và chính xác nhất. 5.2 THỰC HÀNH
Xác định dòng điện ngưỡng của các loại diode gồm diode phát quang (LED) và
Diode laser (LD). So sánh phổ phát quang giữa chúng. a. Đối với diode laser:
Laser: dòng ngưỡng 2,7mA – 1.98V (để sát) : 650nm : 10nm
Hình 5.1 Phổ phát xạ của diode laser
Sở dĩ có sự phát sinh của đỉnh thứ hai thấp hơn là do có sự phản xạ của tia laser khi
đưa vào thiết bị ghi nhận phổ phát xạ. b. Đối với LED:
Led đỏ: dòng ngưỡng 0.2mA – 1.65V (để sát) : 645nm : 12nm
Hình 5.2 Phổ phát xạ của LED đỏ
Led vàng: dòng ngưỡng 3.3mA – 1.93V (để sát) : 566nm : 30nm
Hình 5.3 Phổ phát xạ của LED vàng
Led xanh: dòng ngưỡng: 0.2mA – 2.69V (để sát) : 530nm : 38nm
Hình 5.4 Phổ phát xạ của LED xanh
Led tím: dòng ngưỡng: 4.4mA – 26.8V (để sát) : 465nm : 20nm
Hình 5.5 Phổ phát xạ của LED tím BẢNG 1 Phần tử Bước sóng (nm) Bước sóng (nm) Điện áp (V) Dòng (mA) Laser 650 10 1.98 2.7 LED đỏ 645 12 1.65 0.2 LED vàng 566 30 1.93 3.3 LED xanh 530 38 2.69 0.2 LED tím 465 20 26,8 4.4 Nhận xét:
Dựa vào phổ phát xạ, có thể thế bề rộng phổ phát xạ của diode laser hẹp hơn so với
LED. Điều này là do laser có độ đơn sắc cao hơn, tức là chùm tia phát ra có nhỏ hơn
so với LED. Và dòng điện ngưỡng của laser cũng cao hơn so với LED. Điều này xuất
phát từ yêu cầu của chùm tia laser phát ra có độ đơn sắc và hội tụ chùm tia cao nên
dòng điện kích ngưỡng cũng cao hơn so với LED.